淺談稻殼的資源化利用與處理方法

◎ 劉平穩(wěn)，林 濤，李溫靜，孫玉田，王若瑩，張 偉

（無錫中糧工程科技有限公司，江蘇 無錫 214035）

稻殼是稻谷的谷殼，占稻谷質(zhì)量的20%左右，容重約120 kg·m-3，其組成成分主要有硅、粗纖維(包括木質(zhì)素纖維和纖維素)、五碳糖聚合物(主要為半纖維素)、灰分及少量粗蛋白、粗脂肪等。此外，稻殼作為生物質(zhì)燃料熱值也很高。根據(jù)其組成成分和物理特性可以看出，稻殼具有很高的利用價值。

根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的2020年全國糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)，稻谷年產(chǎn)量為2 118.5億kg，其中折合稻殼含量約423.7億kg，且稻谷產(chǎn)量呈逐年上升趨勢，隨著市場上大米需求量的增加，稻殼產(chǎn)量勢必也會逐年增加，因此必須重視對稻殼的利用效率和處理力度，開拓新的應用研究方向，以最大限度地使用好稻殼資源，減輕加工企業(yè)的負擔，增加副產(chǎn)品經(jīng)營的收入，同時減輕隨意丟棄對周邊環(huán)境帶來的壓力。

稻殼經(jīng)過物理加工后可用來作燃料、飼料原料、養(yǎng)殖墊料、有機肥原料、稻殼/高密度聚乙烯復合材料和稻殼水泥混凝土等，經(jīng)過化學處理其燃耗后的灰質(zhì)可以用于制備活性炭、提取二氧化硅、生產(chǎn)水玻璃、制備油脂精煉脫色劑等。本文簡單總結(jié)近十幾年對稻殼處理和再利用的一些研究和方法，為稻殼處理提供參考，提升資源利用價值，減少稻殼隨意丟棄造成的環(huán)境污染。

1 稻殼經(jīng)過物理處理后的應用

1.1 作為燃料使用

當前工業(yè)化時代對不可再生能源的消耗越來越多，且不可再生能源數(shù)量有限，未來將不能滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。因此近年來興起的生物質(zhì)燃料可以一定程度上填補能源缺口，且相較于不可再生能源更清潔更環(huán)保。有研究表明，在生物質(zhì)燃料中，稻殼低位發(fā)熱值約為12 792.07 kJ·kg-1，處在生物質(zhì)種類中等水平，在非煤炭固體燃料種類中，稻殼低位發(fā)熱值最大為15 072 kJ·kg-1，熱值也相對較高。

目前多數(shù)有條件的大米加工企業(yè)對稻殼進行制粒、壓塊等處理后再銷售，經(jīng)過簡單物理變化，不僅壓縮了稻殼體積、提高了運輸效率，同時減少了散裝稻殼運輸時其自身和內(nèi)部摻雜的灰雜對環(huán)境的影響。經(jīng)過制粒、壓塊后的稻殼可以輸送給周邊火力發(fā)電廠或者農(nóng)糧烘干基地用作燃料，相對于不可再生燃料來說減少了燃燒廢氣對環(huán)境的危害，而且更環(huán)保更經(jīng)濟。另外也可將散狀稻殼直接與秸稈、鋸末、木材邊角料、木屑木渣等混合后進行制粒，作為混合生物質(zhì)燃料使用。

1.2 作為飼料原料使用

稻殼中含有一定量的粗蛋白、粗脂肪、纖維素等營養(yǎng)成分，但是稻殼表面有木質(zhì)素層，且排列整齊和密實，木質(zhì)素層將稻殼所含的營養(yǎng)成分緊緊包裹住，因此稻殼不能直接作為飼料使用，牲畜、家禽等食用后不易消化，總消化率只能達到5%～8%。大部分大米生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)常采用稻殼粉碎技術(shù)，利用粉碎機將稻殼粉碎成一定粒徑（通常為直徑1.2 mm）的小顆粒，經(jīng)粉碎后的稻殼粉隨后與大米生產(chǎn)線產(chǎn)出的清糠、油糠等按照一定比例進行混合，即可作為飼料原料出售。粉碎后的稻殼粉（或者與糠粉的混合物）與其他含有必須營養(yǎng)成分的飼料混合后可以喂養(yǎng)牲畜。稻殼經(jīng)過處理后，纖維組織完全潰散，并使緊緊包圍在纖維素外面的木質(zhì)素全部被撕裂而脫落，因此其吸水性很高。由于吸水性的提高，各種營養(yǎng)成分的溶水機會增多，所以易被畜禽消化吸收，總消化率可達17%～20%，比原來提高1倍以上。

將稻殼粉作為飼料配料是廢物利用的重要體現(xiàn)，且比直接出售稻殼的價值更高，一定程度上能為大米生產(chǎn)企業(yè)增收。除將稻殼粉碎做飼料配料之外，稻殼還可以用來生產(chǎn)膨化稻殼飼料、稻殼發(fā)酵飼料、化學處理飼料等，具有廣闊的市場前景和很高的應用價值。

1.3 作為養(yǎng)殖廠家畜家禽墊料

通常養(yǎng)殖廠里畜禽養(yǎng)殖區(qū)域都需要鋪設(shè)發(fā)酵床，為功能菌群生長提供條件，進而利用菌群完成畜禽糞、尿的降解轉(zhuǎn)化，改善養(yǎng)殖環(huán)境。稻殼就是很好的發(fā)酵床墊料原料，其透氣性能比鋸末好，吸附性能稍次于鋸末；含碳水化合物比例比鋸末低，灰分比鋸末高；使用效果和壽命次于鋸末，可以單獨使用，也可與鋸末混合使用。稻殼較堅硬，不宜粉碎，緊實度低，因此墊層空隙多利于透氣。稻殼比鋸末的優(yōu)點在于品種單一、質(zhì)量穩(wěn)定，一般不用擔心過濕和霉變。在鋸末中摻入少部分稻殼作發(fā)酵床墊料的效果與單一鋸末的使用效果相近。這種墊料配方的優(yōu)勢在于提高了純鋸末的透氣性能，降低了純鋸末濕潤后的易黏結(jié)性[1]。因此多數(shù)養(yǎng)殖廠都直接選用廉價的稻殼作為墊料使用，能大大節(jié)省養(yǎng)殖成本。

1.4 用作有機化肥原料

由于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平越來越高，有機食品越來越受到人們的重視，生態(tài)農(nóng)業(yè)也成為了人們關(guān)注的重點。從環(huán)境保護方面出發(fā)，有機肥是有機農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)的必需，它能顯著改善土壤性質(zhì)，提高土壤肥力，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還能遏制環(huán)境污染。無論是從政策的力度上，還是在實際的行動中，國家都對有機肥的使用和普及投入了大量的支持，2021年6月1日起《有機肥料》標準開始實施，國家將大力推廣有機肥替代化肥。有機肥以后將逐漸取代其他普通化肥，成為農(nóng)作物生長中的必備肥料。將稻殼作為一種原料制作有機肥是近幾年生態(tài)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的一個方向，下面簡單介紹幾種利用稻殼制備有機肥的方法。

（1）將一定比例的稻殼與畜禽糞便、污泥、硅藻土、植物枝葉、水等制備稻殼發(fā)酵有機肥，充分利用農(nóng)用廢物的稻殼、養(yǎng)殖場產(chǎn)出的糞便、植物的修剪枝葉，變廢為寶制備有機肥，肥力高、肥效快，適合于各種蔬菜瓜果種植的肥料需要，能明顯增產(chǎn)增收并改善土壤環(huán)境。

（2）將一定比例的稻殼與酵素菌、畜禽糞便混合，在適宜環(huán)境下發(fā)酵制作稻殼有機肥。在稻田應用試驗中，相同環(huán)境下將稻殼有機肥與正常使用化肥做對比，使用稻殼有機肥的秧苗發(fā)育生長良好、緩苗快、出穗整齊，每公頃增產(chǎn)超200 kg，為農(nóng)戶增產(chǎn)增收[2]。

（3）將一定比例稻殼與椰糠、珍珠巖、泥炭等混合作有機化肥，利用稻殼提供營養(yǎng)物質(zhì)，利用椰糠的透氣性，利用珍珠巖作為栽培介質(zhì)，利用泥炭提供營養(yǎng)物質(zhì)及其調(diào)節(jié)土壤作用，使得混合后的有機肥可用作花卉種植、園藝栽培、城市綠化、鹽堿地土壤改良和農(nóng)業(yè)種植等。其理化指標穩(wěn)定，植物長久栽培無需換土，使用時間久，利用率高。

1.5 生產(chǎn)稻殼/高密度聚乙烯復合材料

木塑復合材料是近年來生物質(zhì)能資源化利用的代表性作品，其主要原料為稻殼、木屑、竹屑等的破碎物和高密度聚乙烯、聚丙烯等熱塑性塑料。這種木塑復合材料具有良好的耐候性、耐腐蝕性、耐微生物性、木質(zhì)感、機械強度和防火防水性等特點，而且再回收利用價值也比較高，因此是農(nóng)林行業(yè)廢棄物資源化處理和有效利用的重要材料。

將稻殼作為添加物制備稻殼/高密度聚乙烯復合材料是一項成熟且普遍的生產(chǎn)技術(shù)。制備稻殼/高密度聚乙烯復合材料的傳統(tǒng)方法是將稻殼等廢棄物粉碎成均勻的粉末狀或纖維狀，添加到高密度聚乙烯、聚丙烯等熱塑性塑料中，再利用擠出、熱壓、注塑等方法制備出這種新型材料[3]。以稻殼/高密度聚乙烯復合材料為主的木塑材料制備技術(shù)的發(fā)展在一定程度上解決了農(nóng)林廢棄物對環(huán)境造成的污染問題，同時對資源不足起到了一定的彌補作用。作為農(nóng)業(yè)大國和消費大國，我國每年產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物和廢棄塑料，這項技術(shù)的應用也解決了這些廢棄物的處理和利用問題，促進了物質(zhì)資源的循環(huán)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

1.6 作稻殼水泥混凝土

混凝土是必不可少的建筑施工材料，用途廣、用量大、凝固強度高、耐腐蝕能力強。常用的混凝土主要是砂石水泥混凝土，這些材料本身密度大，導致混凝土自重較高，因此建筑物一般質(zhì)量也較大，所以近十幾年來人們開始著手研究和使用輕質(zhì)水泥混凝土，用在建筑物中對結(jié)構(gòu)強度要求不高的非承載構(gòu)件中，能大大降低建筑自重，降低基礎(chǔ)荷載進而減小基礎(chǔ)尺寸，降低建設(shè)成本。

稻殼水泥混凝土的骨料是稻殼，膠結(jié)劑是普通硅酸鹽水泥，增強劑選用107膠水，這些材料與水分別以一定比例混合即可得到輕型混凝土。稻殼水泥混凝土替代了一些用傳統(tǒng)水泥制作的混凝土構(gòu)件，使用方法與傳統(tǒng)混凝土相同，且不需要對稻殼進行預處理。該類型混凝土原料中的稻殼廉價易得，混凝土本身使用方便、施工便利、保溫性能好、有一定的抗腐蝕性，因此具有良好的發(fā)展應用前景。

2 稻殼經(jīng)過化學處理后的應用

2.1 制取活性炭

活性炭是傳統(tǒng)而現(xiàn)代的人造材料，又稱碳分子篩，具有很強的吸附性能，是一種常見的工業(yè)吸附劑。無論是在日常生活中，還是在醫(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域，都具有極為廣泛的用途。利用稻殼作為原料來制備活性炭是近幾年稻殼處理方面研究和推廣的重要方向之一，能有效利用稻殼資源、降低活性炭生產(chǎn)成本，契合可持續(xù)發(fā)展理念和新發(fā)展理念。

利用稻殼制備的活性炭不含有害雜質(zhì)，比如鉛、砷等等，特別適用于醫(yī)用、護理、洗漱產(chǎn)品，比如醫(yī)藥品、牙膏、化妝品等。利用稻殼制備活性炭的常規(guī)方法分為兩個步驟，即炭化反應和活化反應。①利用炭化反應（非完全燃燒）可以提高碳元素的含量為44%左右，再將稻殼中含硅量高的外殼剝離，進而形成網(wǎng)狀的多孔構(gòu)造，形成初始孔隙。炭化的溫度和炭化的時間也至關(guān)重要，影響到炭化材料的生產(chǎn)過程，因此應選擇適宜的溫度和時間來控制熱解過程。②利用活化反應將炭化的稻殼活化，常用的工藝方法有3種，包括物理活化、化學活化、物理化學活化。物理活化可以制備高比表面積的活性炭；化學活化制備活性炭可兼顧產(chǎn)率高和高比表面積特性的活性炭，但對生產(chǎn)設(shè)備腐蝕較大，污染環(huán)境。物理化學活化可以利用炭化稻殼同時產(chǎn)出活性炭和白炭黑（二氧化硅），經(jīng)酸堿作用后可以大大提高比表面積，進而提高活性炭活性[4]。

2.2 提取二氧化硅

前述中提到稻殼中含有大量的硅元素，以二氧化硅形式存在，占稻殼比例的10%～21%[5]，因此利用稻殼提硅也是稻殼處理的方向之一。二氧化硅是制造玻璃（普通玻璃、石英玻璃等）、光導纖維、電子工業(yè)重要部件、光學儀器、工藝品和耐火材料的原料，還可以將二氧化硅添加到橡膠、塑料中增加耐磨性，也添加到食品和藥品中。是科學研究和化工生產(chǎn)的重要材料，具有十分廣泛的用途。

稻殼經(jīng)過燃燒產(chǎn)生的稻殼灰中硅元素以二氧化硅形式存在，其含量最大可占稻殼灰質(zhì)量的90%以上，這些二氧化硅主要是以無定形水合二氧化硅形式存在，研究表明，這些活性較好的無定形水合二氧化硅可以作為提取二氧化硅的原料。國內(nèi)目前以稻殼為原料制備二氧化硅主要有干法和濕法兩種工藝。干法可以用于制備超細二氧化硅，直接將稻殼焚燒生成稻殼灰，經(jīng)過后處理，再經(jīng)過粉碎可獲得質(zhì)量較好的超細二氧化硅。濕法是將稻殼燃燒后，再將稻殼灰與堿性物質(zhì)反應生成水玻璃，水玻璃再與酸性物質(zhì)反應可得二氧化硅。通過濕法制備的二氧化硅品質(zhì)高，但工藝較干法復雜，因此還需要進行改建和優(yōu)化[6]。

2.3 制備水玻璃

水玻璃是硅酸鈉溶于水后的產(chǎn)物，黏結(jié)力強、強度較高、耐酸耐熱性好，可用作實驗試劑、黏合劑、防火劑，用于制備工業(yè)產(chǎn)品、粉刷涂料、肥皂等，用途廣泛。利用稻殼制備水玻璃也是因其硅含量高的緣故。

稻殼經(jīng)燃燒或熱解后硅元素以二氧化硅形式存在，制備水玻璃的方法與用濕法提取二氧化硅基本相同，只是少了一步與酸的反應。將燃燒后的稻殼灰與燒堿在加溫加壓的環(huán)境下反應，可生成硅酸鈉水溶液，即水玻璃。該反應在增加環(huán)境溫度時可以提高稻殼灰中二氧化硅的溶解反應能力、控制硅酸鈉含量進而控制水玻璃的質(zhì)量。

2.4 生產(chǎn)油脂精煉脫色劑

吸附脫色劑可用于常見食品的脫色、澄清等處理，例如植物油脂精煉脫色、調(diào)味品脫色、糖類加工過程脫色、果汁飲品澄清脫色等。以稻殼為原料生產(chǎn)脫色劑是目前比較成熟的技術(shù)之一，因稻殼燃燒后的灰質(zhì)中硅元素有序排列程度不高，有一定的開放型結(jié)構(gòu)，因此有一定的吸附性，這就為生產(chǎn)脫色劑提供了理論基礎(chǔ)。用稻殼生產(chǎn)脫色劑，一方面能實現(xiàn)稻殼資料的再利用，另一方面因生產(chǎn)工藝簡單也降低了生產(chǎn)成本，而且產(chǎn)出的脫色劑具有很強的脫色和吸附能力。本文主要介紹利用稻殼生產(chǎn)植物油精煉脫色劑的方法。

炭化的稻殼灰中的堿性氧化物是用于油脂脫色的主要物質(zhì)，直接使用可與油脂中的葉黃素形成競爭關(guān)系，獲取活性吸附點，促進吸收游離脂肪酸。如果利用強酸酸化后再用清水漂洗表面的酸得到酸化稻殼灰，對油脂中的葉黃素的吸附能力強于傳統(tǒng)的活性白土，對于大豆油等葉黃素含量較高的油脂來說是一種非常有效的脫色劑。如果酸化后不水洗可用于脫去棕櫚油中的胡蘿卜素，脫除率高達90%[7]?？偟膩碚f，用稻殼灰生產(chǎn)的脫色劑在油脂精煉脫色中有很好的效果，是稻殼處理利用的主要方向之一。

3 結(jié)語

本文介紹了一些稻殼的處理和利用方式，方便易操作、生產(chǎn)工藝簡單，因此以廉價的稻殼作原料，經(jīng)過處理得到高附加值的產(chǎn)品是一個不錯的選擇，條件具備的工廠企業(yè)可以選擇使用。國內(nèi)稻殼產(chǎn)量逐年增加，對其加大處理力度不僅能提高資源利用價值，也能有效降低稻殼丟棄造成的環(huán)境影響，是助力于實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、綠色發(fā)展理念的重要實踐。